粘结混凝土结构超声波时域和频域特性研究

刘建镇，龙士国，唐海翔，张高峰

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

随着我国经济转型发展和建筑工业化进程的加快，为了适应新时期建筑行业的可持续发展，装配式建筑在全国得到了大量推广应用[1-2]。装配式混凝土建筑是指以工厂化生产的混凝土预制构件为主，通过现场装配的方式设计建造的混凝土结构建筑。装配式混凝土建筑与传统混凝土建筑相比，具有施工质量高、施工周期短和节能减耗等优点[3]。装配式建筑采用了大量的预制构件，预制构件在后浇混凝土时，浇筑面积大、钢筋密集且预埋管线线路繁多，如果浇筑时振捣不密实，或者结合面没有按照规范要求处理，在结合面上会形成各类缺陷[4]。两次浇筑的混凝土之间需要保持良好的结合，使新旧混凝土形成一个整体，共同承担荷载。在第二次浇筑混凝土时，由于种种原因往往不能完全按照规范要求处理已硬化混凝土的表面，很难保证结合面质量[5]。

相关研究学者对粘结混凝土结构结合面粘结质量的检测研究也取得了一定成果。张晋峰等[6]采用钻芯植筋拉拔法对装配式叠合试件结合面的粘结强度进行了试验研究。王大永等[7]使用钻芯取样法、地质雷达法和超声波检测法对装配式结构的新旧混凝土结合面的质量进行检测，研究表明超声波法能够准确地检测装配式混凝土结构粘结界面的粘结质量。超声法[8]可以在不破坏混凝土结构的基础上检测到混凝土内部的缺陷，同时具有激发容易、操作简单和用途广泛等优点，在国内外得到了非常好的推广应用，成为应用最广泛的混凝土无损检测方法[9]。颜华等[10]为检测装配式混凝土结构中现浇混凝土的施工缺陷，通过试验检测超声波在不同脱空率混凝土模型构件中的声学信号，得到了超声波在脱空率较高的混凝土结构模型构件中声速、波幅和主频明显减小的变化规律。通过现场测试结果和试验数据比较，能够对整体结构缺陷进行有效的识别。赵军等[11]采用超声波首波声时法对拼装柱的密实性进行了检测，试验得到了缺陷位置的声波数据并分析了缺陷数据的规律性，通过建立空洞缺陷的计算模型，能有效预测空洞尺寸。但是试件数量和检测的数据较少。罗维刚等[12]采用超声波斜测法[13]和超声波平测法对梁施工结合面进行了质量检测，研究表明采用超声波平测法检测混凝土结合面质量是可行的。

李华良等[14]采用相控阵超声成像技术对钢管混凝土柱混凝土浇筑质量进行无损检测。结果表明相控阵超声成像技术在混凝土与其他介质材料结合面单面检测中取得良好效果，可反映结构内部混凝土浇筑质量。何胜华等[15]采用超声透射法和相控阵超声成像法检测混凝土叠合墙试件内部混凝土缺陷，并进行钻芯验证，结果表明采用超声波透射法及相控阵超声成像技术均可以识别明显的孔洞等缺陷。胡红波等[16]利用相控阵超声成像检测技术对叠合面预埋人工缺陷的装配式钢筋混凝土叠合板试件进行了检测，结果表明相控阵超声成像法可以识别叠合层明显的胶结不良、内部孔洞等缺陷。

综上所述，目前对于粘结混凝土结构结合面粘结质量的检测还没有形成统一的方法和标准。对于检测不同类型以及不同粘结质量的粘结混凝土结构也没有深入研究。针对粘结混凝土结构，在已有研究的基础上，本文采用COMSOL有限元模拟软件，对不同粘结混凝土结构的声场进行了仿真模拟，研究不同类型粘结混凝土结构在不同粘结质量情况下的时域特征和频域特征。根据这一特征设计实验，制作了三种不同界面粗糙度的粘结混凝土结构模型试件，采用超声波斜测法对模型试件进行测试，测试结果表明超声波透射不同粗糙度粘结界面的时域和频域特征变化明显。

1 粘结混凝土结构声场模拟方法

1.1 有限元模型的建立

根据粘结混凝土结构的特征，本文建立了如下二维有限元物理模型。如图1所示，从左至右的介质层依次为混凝土 1区、粘结界面区、混凝土 2区，各介质层的宽分别为19、2、19 cm，高为30 cm。采用超声波斜测法对激发点和接收点进行测点布置，激发点与接收点距粘结界面区的距离为4 cm。模型的左右边界设置为低反射边界以减小界面反射对模拟结果的影响。通过对粘结混凝土结构模型各个介质层添加不同的材料参数，共建立六类粘结混凝土结构。C20-C20、C40-C40、U-U为相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型；C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型。其中粘结界面区域的材料参数取界面区域两侧混凝土区域材料参数的平均值，各模型的材料参数如表1所示。

表1 模型的材料参数Table 1 Material parameters of different bonded concrete structure models

图1 粘结混凝土结构物理模型Fig.1 Physical model of bonded concrete structure

在各类粘结混凝土结构模型的粘结界面区域内随机均匀设定孔径大小为 1～2 mm的不同数量的空洞缺陷、数量为 30、60、90、120，分别代表不同粘结质量的粘结混凝土结构模型，图2为随机空洞个数为30的粘结混凝土结构模型。

确定粘结混凝土结构模型的有限元单元类型和材料参数之后，将图1和图2中的粘结混凝土结构模型生成有限元网格划分模型。网格划分在有限元建模过程中非常重要，网格尺寸划分的合理性与计算结果的准确性在很大程度上呈直线相关。为了保证计算精度，声波沿传播方向每个波长内至少有10～20个单元[17]，最大单元的尺寸选择如表2所示。

图2 随机空洞个数为30的粘结混凝土结构模型Fig.2 Structural model of bonded concrete with 30 random holes

表2 模型最大单元尺寸Table 2 Maximum unit size in structural model

1.2 激励信号的选取

模拟采用的激励信号由3个单音频信号叠加并经过汉宁（Hanning）函数调制而成。相对一般的半正弦、矩形波和尖脉冲等信号，Hanning窗脉冲信号主瓣高，旁瓣瞬间衰减很快，在信号识别中频率敏感度高，这种窄带激励函数既可以使应力波的传播距离增大，又可以增强自身的信号强度[18]。通过模拟结果对比分析，选择脉冲信号的频率f=100 kHz、脉冲宽度T=30μs、计算时间t=600μs时接收到的波形较好，易于提取分析。激励信号的时域图及频谱图如图3和图4所示。在模拟过程中先编写激励信号的函数表达式，然后以瞬时荷载的形式加载到激发点处，所加载的激励信号[19]的数学表达式为

图3 激励信号的时域图Fig.3 Time domain plot of excitation signal

图4 激励信号的频谱图Fig.4 Spectrum of the excitation signal

式中：f为频率；n为单音频数；t为时间。

2 模拟结果分析

2.1 声波在介质中的传播声场

图5是超声波在C40-C40不同空洞数量模型中传播的声场快照。由图5可知，在激发点处激励超声波信号后，超声波就会在粘结混凝土结构模型中传播。当超声波通过粘结界面区域时，在粘结界面区域内遇到空洞缺陷会发生界面反射，而且随着空洞数量的增加，超声波在界面区域发生的反射越多，超声波透射粘结界面区域的能量越小。

图5 C40-C40不同空洞数量模型声波传播云图Fig.5 Nephograms of sound wave propagation in C40-C40 model with different numbers of holes

2.2 时域分析

取C40-C40和U-C40不同空洞数量模型的时域波形数据为例，图6和图7分别为C40-C40、U-C40不同空洞数量模型的时域波形。通过对比不同空洞数量模型的首脉冲到达时刻（简称首波声时）可以发现，不同空洞数量模型的首波声时基本一致。当空洞数量为30或60时，时域信号衰减较慢，当空洞数量为90或120时，时域信号衰减较快，但是用首波声时难以区分不同空洞数量的模型。

图6 C40-C40不同空洞数量模型时域波形Fig.6 Time-domain signal waveforms in C40-C40 model with different number of holes

图7 U-C40不同空洞数量模型时域波形Fig.7 Time-domain signal waveforms in U-C40 model with different number of holes

图8和图9分别为C40-C40和U-C40不同空洞数量模型接收到的时域信号峰值对比图。由图8和图9可知，空洞数量为0时，时域信号峰值最大，随着空洞数量的增加，时域信号峰值依次降低，不同空洞数量模型的时域信号峰值呈规律性变化，因此对所有模型的时域信号峰值进行提取分析。

图8 C40-C40不同空洞数量模型时域信号峰值对比Fig.8 Comparison of the peaks of time-domain signal in C40-C40 model with different number of holes

图9 U-C40不同空洞数量模型时域信号峰值对比Fig.9 Comparison of the peaks of time-domain signal in U-C40 model with different number holes

图10为不同空洞数量模型的时域信号峰值。由图 10可知，空洞数量为 0时，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型，信号峰值分别为 3.3×10-7m、3.2×10-7m、3.0×10-7m，信号峰值较大。C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型，信号峰值分别为 2.8×10-7m、2.6×10-7m、2.0×10-7m，信号峰值依次降低。由此可以看出，相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射较小，超声波透射粘结界面区的能量大，接收点的信号峰值较大。不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射增强，超声波透射粘结界面区域的能量减小，且强度等级差别越大，界面反射越强，超声波透射粘结界面区域的能量越小，接收点的信号峰值越小。通过对比不同空洞数量模型的时域信号峰值可知，空洞数量越多的粘结混凝土结构模型，信号峰值越小。由此可知粘结质量越好，超声波透射粘结界面区域的信号峰值越大。

图10 不同空洞数量模型时域信号峰值Fig.10 Peaks of time-domain signal in different models with different number of holes

2.3 频域分析

对所有模型的时域信号进行 FFT，图 11、12分别为C40-C40、U-C40不同空洞数量模型的频谱曲线。

图11 C40-C40不同空洞数量模型频谱曲线Fig.11 Spectrum curves for C40-C40 model with different number of holes

将图11和图12中各模型的频域信号进行对比可以发现，在粘结质量较好的情况下，频域信号分布在50～150 kHz之间，且在100 kHz处存在明显的峰值。当粘结区域存在空洞时，且空洞数量越多，峰值信号降低的现象越明显。因此可以对其进行频域积分，图13为不同空洞数量模型的频域积分。

图12 U-C40不同空洞数量模型频谱曲线Fig.12 Spectrum curves for U-C40 model with different number of holes

由图 13可知，空洞数量为 0时，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型，频域积分分别为 0.340、0.338、0.326，频域积分较大。C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构模型，频域积分分别为0.239、0.237、0.186，频域积分依次减小。由此可知，相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，超声波透射粘结界面区域的频域积分较大。不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，超声波透射粘结界面区域的频域积分减小。通过对比不同空洞数量模型频域积分可知，空洞数量越多的粘结混凝土结构模型，频域积分越小。由此可知，粘结界面区域内空洞数量越少，粘结界面粘结质量越好，超声波透射粘结界面区域的频域积分越大。

图13 不同空洞数量模型频域积分Fig.13 Frequency domain integration in different models with different number of holes

3 实验测试

3.1 粘结混凝土结构模型设计与制作

根据工程实际情况以及试验需要，本文设计了适当简化的粘结混凝土结构模型，图 14为粘结混凝土结构模型的设计图。

图14 粘结混凝土结构模型设计图Fig.14 Model design drawing of bonded concrete structure

模型的制作流程主要分为以下三个步骤：（1）预制混凝土试件制作，试件的几何尺寸为700 mm×300 mm×600 mm，浇筑C40混凝土。（2）粘结界面粗糙度处理，预制混凝土试件养护完成后，取预制混凝土试件300 mm×600 mm平面作为粘结面进行粗糙度处理，粗糙处理界面划分为3个相同的面积区域，通过人工凿毛法对粘结界面进行粗糙处理，并采用灌沙法测定粘结界面的粗糙度，试验设计并制作了界面粗糙度为4 mm、8 mm和12 mm三种混凝土粗糙度界面。（3）浇筑新混凝土，新浇筑混凝土部分的几何尺寸为300 mm×300 mm×600 mm，采用C30混凝土进行浇筑而成。图15为粘结混凝土结构模型制作过程照片。

图15 粘结混凝土结构试样的制作过程照片Fig.15 Photos of the making process of bonded concrete structure specimen

3.2 粘结混凝土结构模型模型测试

采用超声波斜测法对粘结混凝土结构模型进行声波测试，分别在粘结混凝土结构的粘结界面测区和界面两侧的C30、C40混凝土测区进行声波测试，超声波斜测法测试粘结混凝土结构示意图如图16所示。其中T表示超声波激发换能器，R表示超声波接收换能器，T1-R1测试C30混凝土测区的声波，T2-R2测试粘结界面测区的声波，T3-R3测试C40混凝土测区的声波。超声测距 L=0.335 m，不同粗糙度粘结界面测区各选择三条测试截面，分别为粘结混凝土结构粗糙面测区的上部、中部和下部。各截面选择三个点进行测试。

图16 超声波斜测法测试粘结混凝土结构示意图Fig.16 Schematic diagram of testing bonded concrete structure by ultrasonic oblique measurement

超声波测试仪器采用本课题组自主研发的TH204型多功能声波参数测试仪，换能器激发频率为100 kHz，图17为TH204型多功能声波参数测试仪，图18为粘结混凝土结构模型现场测试照片。

图17 TH204型多功能声波参数测试仪Fig.17 TH204 multi-function acoustic parameter tester

图18 粘结混凝土结构模型现场测试照片Fig.18 Field test photos of bonded concrete structure model

3.3 粘结混凝土结构模型测试结果分析

图19为粘结混凝土结构各测区的时域波形图，由图可知，C40混凝土测区和C30混凝土测区的时域信号峰值较大，时域信号衰减较慢；当超声波透射粘结界面区时，时域信号峰值降低明显，界面粗糙度为 12 mm的粘结界面测区的时域信号峰值最大，界面粗糙度为4 mm的粘结界面测区的时域信号峰值最低。模拟结果表明，时域信号峰值随着粘结密实度的提高而增大，因此推断界面粗糙度为4 mm的混凝土粘结界面质量最差。

图19 粘结混凝土结构各测区的时域波形图Fig.19 Time-domain signal waveforms of each measurement area in bonded concrete structure

对所有测区的时域信号进行FFT，并将频域信号进行频域积分处理，图 20为粘结混凝土结构各测区的频域图，图 21为粘结混凝土结构各测区频域积分。由图20和图21可知，当超声波透射C40混凝土测区和C30混凝土测区时，频域信号集中分布在50～100 kHz之间，且在100 kHz处存在明显的峰值；当超声波透射粘结界面测区时，且粘结界面粗糙度越低，峰值信号降低现象更明显。

图20 粘结混凝土结构各测区频域图Fig.20 Frequency domain diagram of each measurement area in bonded concrete structure

图21 粘结混凝土结构各测区频域积分Fig.21 Frequency domain integration of each measurement area in bonded concrete structure

由实验测试可得，超声波透射不同粗糙度的粘结混凝土结构具有明显的时域变化和频域变化，界面粗糙度不足导致两次浇筑的混凝土粘结不密实，增加界面粗糙度，超声波透射粘结界面区的时域信号峰值和频域积分增加，这是由于增加界面粗糙度能够增加粘结界面区域内的粘结面积，使得新旧混凝土之间粘结更加紧密，超声波透射粘结界面区域的能量越大。

4 结 论

（1）通过COMSOL有限元数值模拟软件，模拟了超声波在不同空洞数量粘结混凝土结构模型中的传播过程，通过对比不同空洞数量粘结混凝土结构模型的时域波形，发现各模型的首波声时基本一致，首波声时并不能区分不同空洞数量的粘结混凝土结构模型。

（2）时域分析表明，相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射较小，接收点的信号峰值较大；不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射增强，且强度等级差别越大，界面反射就越强，接收点的信号峰值就越小；粘结界面区域内的空洞数量越少，粘结界面质量越好，超声波透射粘结界面的能量越大，接收点的信号峰值越大。

（3）频域分析表明，相同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射较小，接收点的频域积分较大；不同混凝土强度等级相结合的粘结混凝土结构，界面反射增强，且强度等级差别越大，界面反射就越强，接收点的频域积分就越小；粘结界面区域内的空洞数量越少，粘结界面质量越好，超声波透射粘结界面的能量越大，接收点的频域积分越大。

（4）数值模拟和实验测试结果表明，超声波透射不同粘结质量的粘结混凝土结构，具有明显的时域变化和频域变化，对于粘结混凝土结构的粘结质量，可以通过超声波时域信号峰值和频域积分进行有效的识别。